Mini LED 顯示光學(xué)性能分析

楊梅慧，林偉瀚*，于 海，胡文黨，謝沛川

（1. 康佳集團股份有限公司，廣東 深圳 518057；2. 深圳康佳電子科技有限公司，廣東 深圳 518107）

1 引 言

目前液晶顯示（LCD）在市場上仍然占據(jù)主導(dǎo)位置，有機電致發(fā)光顯示（OLED）占據(jù)了部分高端市場。新型顯示領(lǐng)域主要的技術(shù)系統(tǒng)有量子點電致發(fā)光顯示（QLED）和微發(fā)光二極管（Micro LED）顯示。Micro LED 顯示利用微米尺寸（一般小于50 μm）［1］無機LED 器件作為發(fā)光像素，來實現(xiàn)主動發(fā)光矩陣式顯示。隨著第三代顯示的需求推動和技術(shù)發(fā)展，Micro LED 由于其優(yōu)異的電流飽和密度［2］、更高的量子效率以及高可靠性，已經(jīng)成為目前技術(shù)的熱點，在Micro LED 的器件設(shè)計制造和全彩顯示解決方案［3］，以及VLC 通 訊［4-5］、全 集 成 多 功 能 化 新 型 顯 示 器件［6］等方面被廣泛研究。根據(jù)現(xiàn)代TRIZ 理論的技術(shù)系統(tǒng)S 曲線進化趨勢，QLED 和Micro LED 目 前 處 于 嬰 兒 期［7］。作 為Micro LED 前驅(qū)的次微發(fā)光二極管（Mini LED），器件尺寸為50～200 μm［8］，由 于 尺 寸 小，使 用 板 上 固 晶（COB）工藝可以將屏幕像素間距做到P1.25 mm 以下，形成微間距Mini LED 顯示產(chǎn)品。Mini LED 器件也可以應(yīng)用在液晶顯示背光燈板上，通過精細(xì)化的分區(qū)實現(xiàn)局域動態(tài)調(diào)光來實現(xiàn)高亮度、高動態(tài)對比度的優(yōu)秀畫質(zhì)［9-10］。Mini LED 顯示目前產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成熟，市場規(guī)模逐年增加，并逐漸搶占常規(guī)商業(yè)顯示的市場。Mini LED 微間距顯示產(chǎn)品具有高PPI、高亮度、高對比度等特性。Mini LED 微間距拼接顯示產(chǎn)品隨著拼接技術(shù)和驅(qū)動技術(shù)的優(yōu)化，將產(chǎn)生4K/8K戶內(nèi)影院產(chǎn)品，有望打開家電消費市場。

Mini LED 主動式顯示技術(shù)使用紅綠藍(lán)倒裝的Mini LED 芯片器件，使用固晶的方式貼在印制電路板（PCB）或者玻璃驅(qū)動基板上面（COB 或COG）。相較于使用常規(guī)的支架封裝的LED 顯示屏，COB 產(chǎn)品因為沒有LED 封裝支架的反光杯，像素之間容易發(fā)生光串?dāng)_，在大角度觀看Mini LED 顯示屏幕時容易出現(xiàn)色偏現(xiàn)象。

2 實 驗

本文采用尺寸100 μm 的4 mil×8 mil Mini LED 芯片，通過COB 固晶、表面封膠工藝，制作紅綠藍(lán)全彩顯示的Mini LED 燈板。表面封膠材料為混合碳粉的有機硅改性環(huán)氧樹脂，封膠厚度為250 μm。樣品1 固晶后表面膜壓50 μm 厚的黑色膜層，黑膠填縫于Mini LED 芯片縫隙之間，等離子清洗芯片表面殘膠后，再膜壓一層200 μm厚度的半透膜，表面為光面。樣品2 固晶后注塑模壓40% 透過率的改性環(huán)氧樹脂，封膠厚度250 μm，膠體表面為霧面，樣品如圖1 所示。屏幕像素間距P為0.68 mm。Mini LED 芯片器件長邊方向朝向水平方向。

圖1 Mini LED 燈板樣品Fig.1 Mini LED light board

樣品1 和樣品2 采用CS2000 進行亮度和色坐標(biāo)光學(xué)測試，CS2000 鏡頭光學(xué)角度為1°。將屏幕按角度旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)測試角度為-90°～90°，測試角度間隔為5°，使用CS2000 測試樣品在不同角度條件下的色坐標(biāo)值及亮度值。結(jié)合主觀觀測，得出顯示屏幕的色偏現(xiàn)象及數(shù)值。測試Mini LED RGB 裸晶芯片長邊方向光學(xué)數(shù)據(jù)，將其與屏幕角度色坐標(biāo)變化及色偏現(xiàn)象進行對比，分析屏幕色偏原因。

3 結(jié)果與討論

3.1 實驗結(jié)果

通過主觀觀測，正視屏幕，視線與屏幕法線呈0°時為標(biāo)準(zhǔn)白場，隨著角度的增加，屏幕右角度方向先呈現(xiàn)淡青色再變?yōu)闇\紅色再變?yōu)榈嗌蠓较騽t呈現(xiàn)淺紅色現(xiàn)象。使用CS2000 將屏幕按角度旋轉(zhuǎn)進行亮度色度測試。

表1 為樣品1 和樣品2 在不同角度下測試的色坐標(biāo)（CIE1931）數(shù)據(jù)，圖2 為依據(jù)表1 繪制的屏幕不同角度下的色坐標(biāo)分布圖，其中橫坐標(biāo)為CIE 1931 顏色坐標(biāo)的x坐標(biāo)，縱坐標(biāo)為顏色坐標(biāo)的y坐標(biāo)。如圖2，樣品1 在右方向色坐標(biāo)60°處呈 現(xiàn) 拐 點，依 據(jù) 表1 數(shù) 據(jù)，0°～60°視 角 時x值 增加+0.012 7，y值增加+0.001 8，x值增加明顯，即紅色光強增加明顯。60°～85°范圍x值基本不再增加，y值增加0.010 4，即此范圍紅顏色光強降幅明顯。樣品1 左方向拐點依然在60°，0°～60°時x值增加+0.023 1，y值增加+0.003 7，x值增加比右方向明顯，即左邊角度偏紅現(xiàn)象比右邊明顯。60°～85°范圍x值變化為-0.009，y值增加0.005 1，大角度視角出現(xiàn)偏淡青色現(xiàn)象。

圖2 樣品在不同角度的色坐標(biāo)分布Fig.2 Color coordinate distribution of samples at different angles

表1 樣品不同角度色坐標(biāo)值Tab.1 Color coordinate values of samples at different angles

如圖2 所示，樣品2 色坐標(biāo)視角變化趨勢與樣品1 相似。其中右向角度色坐標(biāo)趨勢拐點在55°，0°～55°時x值增加+0.012 1，y值增加+0.003 1，55°～85°范圍時x值變化-0.028 3，y值增加0.007 3，即55°以后白場顏色逐漸偏青。左向角度色坐標(biāo)趨勢拐點在50°，拐點角度比右方向角度小，0°～50°時x值增加+0.019 8，y值增加+0.003 3，左方向紅色光強比右方向高。50°～85°范圍x值變化-0.028 4，y值變化-0.006 2，即50°以后顏色逐漸偏藍(lán)。

將樣品不同角度測試的亮度數(shù)據(jù)進行歸一化處理后制成光型分布圖。兩塊樣品測試的亮度光型分布圖如圖3 所示。屏幕樣品1 的RGB顏色場光型形狀不匹配而且左右不對稱。GB 顏色場光型圖形狀基本重合，紅顏色場右方向大于30°角后形狀突出于藍(lán)綠，左方向-5°以后紅顏色場形狀突出于藍(lán)綠。即隨著燈板光線出射角度的增大，藍(lán)綠芯片亮度衰減趨勢大于紅光的衰減趨勢。其中，紅顏色場左邊方向視角亮度大于右邊方向亮度，而藍(lán)綠光顏色場則右邊方向視角亮度大于左邊方向亮度。樣品2 的光型圖與樣品1的形狀和趨勢相同。光型的不對稱與前述左右方向色坐標(biāo)的不對稱對應(yīng)。

圖3 樣品光型分布Fig.3 Light type distribution of samples

將Mini LED RGB 芯片沿著長邊方向，測試-90°～ 90°之間的光強分布值，將3 種芯片的角度光強值歸一化后描繪芯片的光型分布圖，結(jié)果如圖4 所示。

如圖3 和圖4，裸晶芯片的光型分布與屏幕的光型分布趨勢類似，均為左右不對稱，但具體形狀不一樣，尤其是紅光，裸晶芯片的收攏程度強于屏幕光型。

圖4 Mini LED RGB 裸晶芯片長邊方向光型分布圖（單位：（o））Fig.4 Light distribution along the long side of Mini LED RGB die chip（unit：（o））

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 色坐標(biāo)拐點分析

Mini LED 直顯屏幕出現(xiàn)視角色偏現(xiàn)象有兩種情況，現(xiàn)象1 是隨視角變化對應(yīng)顏色發(fā)生變化，即視角色偏且變色。現(xiàn)象2，視角色偏現(xiàn)象左右兩邊變化不一樣。歸一化后RGB 光型視角亮度幅值變化程度數(shù)據(jù)如圖5。

圖5 為樣品的紅光與綠光、紅光與藍(lán)光的視角光強幅度變化差值。樣品1 幅度變化差異值在60°達(dá)到峰值，樣品2 在50°達(dá)到峰值，這與色坐標(biāo)拐點位置吻合。對于樣品1 而言，在出射光0°～60°范圍，隨著出射角度變大，紅光的光強衰減程度弱于藍(lán)綠光，出射光大于60°之后，紅光的光強衰減程度強于藍(lán)綠光。

圖5 RGB 光型光強變化差值Fig.5 Light intensity changes of RGB light type

樣品1 屏幕在60°～85°之間的大角度范圍紅光強度占比迅速減小，一是因為裸晶片本身大角度光強弱，二是因為藍(lán)綠光散射效果強于紅光，改性環(huán)氧樹脂介質(zhì)中存在微小碳粉顆粒及氣泡，在此大角度低光強條件下散射效果要強于折反射效果。樣品2 的色坐標(biāo)拐點角度小于樣品1 的色坐標(biāo)拐點角度，是因為樣品1 的封膠表面是光面，樣品2 的封膠表面是霧面，霧面改變了界面的光線逃逸角方向，即光提取效率增加。

隨著紅綠藍(lán)光強衰減程度比例變化，色坐標(biāo)對應(yīng)發(fā)生了突變出現(xiàn)拐點。屏幕視角光強衰減程度的變化，估計與RGB 裸晶片的發(fā)光光型及RGB 色散程度不同有關(guān)。

3.2.2 光型變化分析

如圖4，裸芯片RGB 光型形狀不匹配，同時左右不對稱。R 光型比GB 光型左右兩邊對稱。GB光型一致，角度光強對稱性較差。R 光型左方向角度強度稍強于右方向，而GB 右方向角度強度高于左方向。以上兩點與Mini LED 屏幕的光型不對稱趨勢一致。說明屏幕角度色坐標(biāo)變化和色偏與Mini LED 裸晶芯片RGB 光型不匹配相關(guān)。

GB 芯片光型對稱性較差則由芯片的結(jié)構(gòu)引起。Mini LED 芯片為倒裝芯片，出光面為藍(lán)寶石襯底。裸晶芯片及燈板的光型測試均為沿著芯片的長邊方向從左到右，即從芯片的N 極到P極轉(zhuǎn)動角度測試。LED 芯片制程工藝中N 極位置臺階偏低，發(fā)光反應(yīng)層將被蝕刻掉。其中，GaN 型芯片的PN 兩極分布在長邊方向左右兩側(cè)的角部位置，因此GB 芯片的N 極方向的光強會降低，光型左右不對稱。而紅光R 芯片的PN 兩極分布在長邊方向左右兩側(cè)的居中位置，因此相對于GB 來說R 光型要對稱。4×8 R 芯片P 極方向的電流阻擋層（CBL）及電極PAD 面積占比比GB 大，吸光程度較強，因此R 芯片右邊P 極方向的光型強度比左邊稍低。

如圖3 和圖4，封膠后的屏幕燈板光型發(fā)散程度均高于裸晶光型發(fā)散程度，紅光R 的發(fā)散程度最大，即封膠后光逃逸角大于裸晶狀態(tài)的光逃逸角。這可能與封膠前后折射率變化有關(guān)。Mini LED 芯片出光面介質(zhì)為藍(lán)寶石，折射率為1.768［11］。Mini LED 燈 板 用 的 環(huán) 氧 樹 脂 為 有 機硅改性環(huán)氧樹脂，折射率約為1.51［12-14］，空氣折射率約為1，以上折射率均據(jù)于589.3 nm 標(biāo)準(zhǔn)鈉黃光測試數(shù)據(jù)。芯片反應(yīng)層發(fā)射的光從藍(lán)寶石襯底逃逸。封膠后光線在藍(lán)寶石襯底與環(huán)氧樹脂界面發(fā)生折射和全反射，折射出的光線進入環(huán)氧樹脂層，光線到達(dá)環(huán)氧樹脂與空氣的界面時再次發(fā)生折射和全反射。

依據(jù)折射定律公式（1）和全反射公式（2），算出Mini LED 裸芯片的光線逃逸角為34.5°，封膠后的Mini LED 燈板中芯片的光線進入膠體的逃逸角為59.1°，芯片光取出率增加，如圖6，光線到達(dá)環(huán)氧樹脂與空氣界面逃逸角為41.3°，出射光線進行了發(fā)散。環(huán)氧樹脂折射率介于藍(lán)寶石襯底及空氣折射率之間，由于界面處折射率發(fā)生改變，增加了界面處的耦合光效，使器件的側(cè)方向上的光通量增加［15］，因此燈板封膠后出射光型會發(fā)散。其中樹脂層大于41.3°逃逸角的光線反射回藍(lán)寶石界面上，藍(lán)寶石表面進行PSS（Patterned Sap?phire Substrate）處理［16-17］，同時環(huán)氧樹脂表面進行了霧面處理，用來破壞界面全反射條件從而增加光取出率，并增加光型發(fā)散程度。

圖6 Mini LED 芯片及燈板逃逸角Fig.6 Mini LED chip and light board escape angle

如圖4，Mini LED 裸芯片R 光型收攏程度比GB 強；如圖3，封膠后的燈板R 光型發(fā)散程度卻高于GB 的角度發(fā)散程度。這可能與不同波長的光線在同一介質(zhì)中折反射角度不一致有關(guān)，即色散現(xiàn)象。

依據(jù)柯西（A.L.Cauchy）色散經(jīng)驗公式（3）［18］，參考與封裝膠體折射率相近的BK7 玻璃500 nm折 射 率1.520 942［11］，計 算 出 改 性 環(huán) 氧 樹 脂 柯 西公 式 常 數(shù)A為1.481 88，B為9.77E+03。藍(lán) 寶石 襯 底RGB 折 射 率 如 表2 所 示［11］。RGB Mini LED芯片的波長分別為630，530，470 nm，算出3種顏色光在介質(zhì)中的折射率及界面逃逸角數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 RGB 顏色介質(zhì)折射率及表面逃逸角Tab.2 Refractive index and surface escape angle of RGB color

如表2 中計算的逃逸角數(shù)據(jù)，RGB 在藍(lán)寶石襯底與樹脂界面逃逸角均約59°，已包含裸晶片大部分高能量出射光線，紅光R 的聚攏程度比GB 強。而在樹脂與空氣界面，紅光的逃逸角大于藍(lán)綠光逃逸角，因此紅光裸芯片發(fā)出的光為聚攏光型，但是燈板封膠后紅光的光型轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)散光型，且發(fā)散程度強于藍(lán)綠光。

4 結(jié) 論

Mini LED 直顯屏幕隨著出射角度變大，將產(chǎn)生從正視白場到偏淡紅色再到偏淡青色的角度色偏現(xiàn)象。通過測試及計算發(fā)現(xiàn)，在50°～60°視角位置出現(xiàn)色坐標(biāo)拐點。拐點前面角度x坐標(biāo)明顯增加，y坐標(biāo)基本不變，大于拐點的角度x坐標(biāo)停滯或減小，y坐標(biāo)增加明顯。通過光型分析，Mini LED 屏幕表面的色偏現(xiàn)象與RGB 裸晶片的光型不匹配及光型左右不對稱有關(guān)，同時由于RGB 顏色在介質(zhì)中的色散現(xiàn)象，紅光在樹脂界面的逃逸角大于藍(lán)綠光，光線經(jīng)過介質(zhì)后紅光光型發(fā)散程度強于藍(lán)綠光，紅綠藍(lán)光強衰減程度的差異引起了出射光角度色偏現(xiàn)象。